基于GIS的金沙江流域(云...差异对降水空间分布影响研究_张志恒.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 1 月测绘与空间地理信息GEOMATICS&SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGYVol.46,No.1Jan.,2023收稿日期:2021-09-13基金项目:国家自然科学基金项目(42061052);云南大学一流大学建设项目 地理学学科建设项目(C176210215);云南大学第二批“课程思政”教学示范课程项目(本云大科202010 号);云南大学校级研究生公共选修课项目(XJGXK202105)资助作者简介:张志恒(1997-),男,云南昆明人,地理信息科学专业在读本科生。通信作者:许新惠(1969-),女,四川广安人,副研究员,硕士,2009 年毕业于西南林业大学农业技术推广专业,主要从事 GIS 应用开发方面的教学与科研工作。基于 GIS 的金沙江流域(云南段)地形差异对降水空间分布影响研究张志恒1,周星宇2,许新惠1,赵筱青1(1.云南大学 地球科学学院,云南 昆明 650500;2.吉林师范大学 旅游与地理科学学院,吉林 四平 136000)摘要:金沙江流域水资源丰富,流域径流补给以降水和雪山冰雪融水为主,降水量的多少直接影响区域水量的大小。本文以金沙江流域(云南段)为研究区域,利用气象观测站降水资料、20142018 年月平均降水量数据,运用 ArcGIS 获得研究区年平均降水估算量,利用金沙江流域站点降水数据、DEM 数据分析地形对降水量分布的影响和时空特征。研究表明:春季研究区降水分布呈现出西高东低的分布特征,受到地形影响,降水主要集中在流域上段区域,经纬度对降雨有促进作用。夏季研究区降雨显著增加,降雨量受季风影响较大,流域降水量整段都有上升趋势,经纬度和坡度对降雨量的影响较大。秋季研究区降雨量呈下降趋势,降雨量分布特征为西低东高。冬季研究区降雨有所减少。关键词:金沙江流域;地形差异;降水空间分布特征中图分类号:P208 文献标识码:A 文章编号:1672-5867(2023)01-0069-04GIS-based Study on the Impact of Topographical Differences on Precipitation Spatial Distribution in JinshaRiver Basin(Yunnan Section)ZHANG Zhiheng1,ZHOU Xingyu2,XU Xinhui1,ZHAO Xiaoqing1(1.School of Earth Sciences,Yunnan University,Kunming 650500,China;2.College of Tourism and Geography Sciences,Jilin Normal University,Siping 136000,China)Abstract:The Jinsha River basin is rich in water resources.The runoff recharge of the basin is mainly precipitation and snowmelt wa-ter of snow and ice mountains.The amount of precipitation directly affects the regional water volume.In this paper,the Jinsha River Basin(Yunnan section)was taken as the study area,and the precipitation data of meteorological observation stations and the monthly average precipitation data from 2014 to 2018 were used to obtain the estimated annual average precipitation in the study area by Arc-GIS.The precipitation data of Jinsha River Basin stations and DEM data were used to analyze the impact of topography on precipitation distribution and the spatio-temporal characteristics.The results show that the precipitation distribution in the study area in spring is high in the west and low in the east.Affected by the terrain,the precipitation is mainly concentrated in the upper part of the basin,and the latitude and longitude have a promoting effect on the rainfall.The rainfall in the study area increased significantly in summer,which was greatly influenced by monsoon,and the precipitation in the whole section of the basin had an upward trend.The longitude,latitude and slope had a greater influence on the rainfall.In autumn,the rainfall in the study area showed a downward trend,and the distribution characteristics of rainfall were low in the west and high in the east.Rainfall decreased in winter in the study area.Key words:Jinsha River Basin;topographical differences;spatial distribution characteristics of precipitation0 引 言降水量的地区性、分布与复杂的地形、山脉走向等有密切关系,国内外学者进行了相关研究。张树奎等以逐步回归方法构建了四季降雨量与 10 个地形因子的关系模型1,以 SPI 方法分析了干旱年间和洪涝年间的因子系数的变化规律;郭忆等利用降水资料以及 DEM 数据,利用偏最小二乘法对长江中下游平原各季度的降水空间分布与地理地形因子及风向因子的关系进行分析、检验和讨论2;夏既胜等采用 GIS 技术对金沙江流域(云南段)进行了景观特征空间对比研究3;周鹏康等采用数理统计等方法研究了云南省暴雨的时空分布,结果表明云南省暴雨频次自东北向西南呈阶梯增加,暴雨高发区位于南部、西部边缘及曲靖东部的低海拔区域,海拔大都在1 0001 500 m4;卢雅婷等利用 19572015 年金沙江干流降水数据,综合运用 Mann-Kendall 检验、线性倾向分析等探究 60 a 内年降水和季节降水的各类变化特征5;许彦艳等利用多种资料对地形敏感性数值进行了试验6;周学云等根据不同站点的地形高度风场合成平均风场,利用各站点地形的坡向和坡度计算出其动力抬升作用,同时使用当天日照和天文太阳辐射值来计算地形的热力抬升作用,与对应降水分布进行多元线性回归,根据回归的标准系数的大小确定各自变量对降水分布的影响7;杜军凯等基于 TRMM 3B42V7 数据,综合采用多元线性回归、偏最小二乘回归和地理加权回归种方法,建立了太行山区卫星降水产品的降尺度校正模型8;郭璇等利用四川省川西高原和盆地地区总共 23 个地面气象观测台站近40 年的逐日降水观测资料及川西高原地形资料,研究川西高原地形特点对降水的影响9;何博翰等利用区域数值模式 WRF-ARW(V3.9)开展了东北地区大兴安岭和长白山地形对该地区夏季降水的影响,结果表明东北地区两大山脉地形可以显著影响东北及其周边区域的降水10;穆振侠等选取不同地形对迎风坡和背风坡加以区分,并考虑水汽来源方向及其他影响因素,探讨了不同地形山区降水垂直分布规律11;刘露露等分析了云南省19672016 年降水量时空格局与变化趋势,结果表明湿季降水空间分布主要受海拔的影响,在滇南地区海拔较低的江城形成降水中心12;刘晓婉等依据金沙江流域气象站点数据,采用 Mann-Kendall 非参数检验及经验模态趋势拟合等方法,分析流域降水时空分布特征及其近期变化趋势13;董丹丹等利用气象观测站点年均降水量、海拔高度、坡向、坡度资料,结合 GIS 和统计分析,建立了各分区的降水垂直分布关系式14;程东亚等基于气温和降水数据,利用 Kriging、Inverse Distance Weight、Spline、GWR等方法,探究了贵州乌江流域气温和降水空间分布特征,并分析了地形对气温和降水的影响15;郭晓芳等基于云贵高原气象站的平均气温、降水数据,利用克里金法、反距离权重法、样条函数法等插值方法,探究了气温与降水空间分布特征及其影响因素16;张正勇等以 TM 影像、DEM 和气象站点资料为数据源,借助 RS/GIS 技术采用线性回归模型估算研究区气温和降水数据并进行栅格计算17;叶金印等利用淮河流域 145 个地面气象站观测资料,对近 50 年以来淮河流域常规气象要素的时间和空间特征进行分析18。以上研究主要是针对降水的地区性及复杂地形等方面进行探索。1 研究方法1.1 研究区概况金沙江流域位于长江上游横断山区,流经四川、西藏、云南三省区,支流众多,水量丰富稳定。金沙江从发源地青海境内沿河流往下到四川宜宾纳岷江。全长2 308 km,河流流域面积近 50 万 km2,占长江流域面积近1/3。径流以降水补给为主,有部分为地下水和雪山与冰山冰雪融水补给。流域地形复杂、陡峭,金沙江落差大,水流湍急,经过西藏于云南德钦县东北部流入云南,在云南省境内全长 1 560 km,流域面积达 109 026 km2。1.2 研究数据选取数据的收集与选取是建立金沙江流域(云南段)数据库的基础,数据信息的质量决定数据库的准确性。本次研究使用的数据有:SRTMDEM 高程数据,分辨率 90 m;金沙江流域气象站点 20142019 年 5 年的逐月平均降水量数据。1.3 研究方法采用偏最小二乘法(简称 PLS)回归分析法,建立降水要素与空间变量的关系,进行回归建模,准确反映因变量与自变量之间的关系,进而使模型的准确性、实用性进一步提高。2 PLS 模型构建金沙江流域(云南段)地形复杂,在一个较大地区范围内,降水量 P=P(,h,)。其中,、分别表示经度和纬度;、分别为坡度和坡向;h 为地形高程;为影响降水其他因素。根据以上因子分析,建立基于 PLS的金沙江流域降水空间分布模型。表达式为:P=a1+a2+a3h+a4+a5+,其中:a1a5 为各项系数;h 为高程,为常数项。通过该模型获取地形因子差异对降水空间分布的影响。3 地形差异研究3.1 坡度、坡向提取在 GIS 环境下,运用 ArcGIS 强大的分析功能,提取研究区坡度、坡向、高程以及经纬度因子。研究结果见表 1。3.2 降水数据预处理利用研究区气象观测站降水资料,选取金沙江流域附近 7 个站点 20142018 年 5 年的月平均降水量数据。利用 Stata 软件计算获得每个月的回归系数,相关系数数据见表 2,其中:a1a5分别代表经度、纬度、高程、坡度、坡向。表 2 中反映了各地形因子对因变量(降水量)影响的程度,系数越大地形因子对降水量的影响越大。相关07 测绘与空间地理信息 2023 年因子为正值时表示对降水有促进作用,相关因子为负值时对降水量有抑制作用。表 1 金沙江流域(云南段)各站点地形因子数据表Tab.1 Terrain factor data table of each station in the Jinsha River Basin(Yunnan section)站名纬度经度观测场高程(m)坡度(%)坡向(度)德钦28.2998.553 3192 530.8835.25179.04维西27.1099.172 3261 656.7210.24282.69丽江26.51100.1323812 547.2421.6659.12华坪26.38101.1612311 838.0912.90109.28攀枝花 26.34101.431 2251 708.1112.44267.48会理26.39102.1517871 815.074.53102.52会泽26.24103.152 1881 890.4021.86296.16表 2 金沙江流域(云南段)降水回归方程系数Tab.2 Coefficients of rainfall regression equation in Jinsha River Basin(Yunnan section)系数春季夏季秋季冬季a11.82-3.98-13.696.09a23.7129.76-19.222.83a3-0.020.100-0.04a40.19-5.20-4.410.23a5-0.090.32-0.40-0.14error235.30-522.592281.59-528.743.3 降水估算回归方程的建立建立回归方程,并利用 ArcGIS 软件对金沙江流域(云南段)年平均降水量进行计算,即可获得金沙江流域年平均降水估算量。春季降水估算回归方程 P=1.82a1+3.71a2-0.02a3+0.19a4-0.09a5+235.30;夏季降水估算回归方程 P=-3.98a1+29.76a2+0.10a3-5.20a4+0.32a5-522.59;秋季降水估算回归方程:P=-13.69a1-19.22a2+0a3-4.41a4-0.40a5+2 281.59;冬季降水估算回归方程 P=6.09a1+2.83a2-0.04a3+0.23a4-0.14a5-528.74;通过以上方程计算获得春季、夏季、秋季、冬季的降水估算量(如图 1 所示)。4 地形因子对降水空间分布影响研究4.1 金沙江流域(云南段)降水时空分布特征金沙江流域(云南段)的年内降水量分布极不均匀,降水主要集中在汛期,春季和夏季降水量较大而且集中,秋冬季降水量较小。流域年降水量空间分布存在一定的地区差异性;春季,金沙江流域(云南段)上段降水量大,到了中段及下段时降水量就呈下降趋势;夏季,金沙江流域(云南段)降水量都呈上升趋势,上段与中段上升趋势明显,下段整体上升趋势不明显;秋季,金沙江流域(云南段)降水量和夏季相比呈下降趋势,从上段到中段再到下图 1 金沙江流域(云南段)降水量Fig.1 Rainfall in the Jinsha River Basin (Yunnan section)段降水量缓慢上升;到了冬季,金沙江流域(云南段)降水量下降较明显。4.2 金沙江流域(云南段)地形因子系数与降水量关系分析1)春季因子系数与降水量的关系分析春季降水分布呈现出西高东低的分布特征,受地形因子影响,降水主要集中在流域上段区域,经度、纬度是影响降水量的主要因素,经纬度对降水量有促进作用,如图 1(a)所示。2)夏季因子系数与降水量的关系分析经纬度和坡度对降水量的影响比较大,夏季金沙江流域(云南段)降水显著增加,降水量受季风影响较大,流域降水量整段都有上升趋势,如图 1(b)所示。3)秋季因子系数与降水量的关系分析金沙江流域(云南段)整段降水量呈下降趋势,降水量分布特征为西低东高,表 2 研究表明:影响经纬度的系数分别为-13.69、-19.22,降水量受到经纬度影响较大,坡度、坡向系数分别为-4.41、-0.4,因此坡度与坡向同样影响着降水的分布。秋季降水量受到各因子的综合影响,如图 1(c)所示。4)冬季因子系数与降水量的关系分析冬季金沙江流域(云南段)降水都有所减少,表 2 研究表明:影响降水的相关系数经度为 6.09,纬度为 2.83,该季节降水受到经纬度因子的影响比较大,如图 1(d)所示。5 结束语1)金沙江流域地形因子分别为经纬度、高程、坡度和17第 1 期张志恒等:基于 GIS 的金沙江流域(云南段)地形差异对降水空间分布影响研究坡向,这些因子对降水空间分布有一定影响,且经纬度对降水造成的影响较大。2)金沙江流域春、夏、秋、冬 4 个季节的降水空间分布情况为:春季降水主要受到地形山脉的影响,气流进入内地遇到山脉阻挡,导致春季降水分割,呈西高东低的特点;夏季和秋季流域整体降水从东到西逐渐增加,夏季降水量从南往北逐渐减少,经纬度位置是影响降水量的基本因素,降水量在同一经度水平上随纬度的降低而明显升高。3)降水空间分布还体现在各因子相互作用的复杂性上,研究表明:每个季节的降水量除了受到经纬度影响,还受坡度、坡向的综合影响;其中高程对降水影响较小,降水量随海拔降低的跨度在各站点无明显差异,几乎对降水没有影响。参考文献:1 张树奎,鲁子爱,张楠.金沙江流域地形因子对降水量空间分布的影响J.水电能源科学,2011,29(12):13-16.2 郭忆,毕硕本,张余庆,等.地理地形因子对长江中下游平原降水空间分布影响的估算和分析J.科学技术与工程,2013,13(29):8 555-8 560.3 夏既胜,马文涛,何洁.基于 GIS 的金沙江流域(云南段)景观特征空间对比研究J.云南地理环境研究,2013,25(1):9-12.4 周鹏康,秦金梅.云南 19812010 年雨季暴雨时空分布特征J.云南地理环境研究,2016,28(4):63-69.5 卢雅婷,张小峰.金沙江流域 19572015 年降水特征变化分 析 J.中 国 农 村 水 利 水 电,2019,22(6):22-32.6 许彦艳,王曼,马志敏.山脉地形对云南冷锋切变型强降水的影响J.云南大学学报(自然科学版),2015,37(5):717-727.7 周学云,高文良,吴亚平,等.定量研究雅安地形坡向坡度对降水分布的影响J.气象科学,2019,39(3):323-335.8 杜军凯,贾仰文,李晓星,等.基于 TRMM 卫星降水的太行山区降水时空分布格局J.水科学进展,2019,30(1):1-13.9 郭璇,田苗,洪程之,等.川西高原地形特征对降水的影响J.农业气象,2017,29(12):13-16.10 何博翰,孙建奇,于恩涛,等.大兴安岭和长白山地形影响东北夏季降水的数值模拟研究 J.气候与环境研究,2020,25(3):268-278.11 穆振侠,姜卉芳,党建新,等.不同地形对山区降水垂直分布规律的影响J.新疆农业大学学报,2010,33(1):66-71.12 刘露露,宋亮,董李勤,等.云南省近 50 年降水量的时空格局与成因分析 J.生态学杂志,2020,39(10):3 463-3 470.13 刘晓婉,许继军,韩志明.金沙江流域降水空间分布特征及变化趋势分析 J.人民长江,2016,47(15):36-44.14 董丹丹,苏鹏程,孙铭,等.青藏高原东南缘复杂地形条件下降水特征分析J.人民长江,2017,48(10):33-39,64.15 程东亚,李旭东.贵州乌江流域气温与降水空间分布特征及其地形影响分析J.水土保持研究,2020,27(2):246-252.16 郭晓芳,李旭东,程东亚.云贵高原气温与降水空间分布特征及其影响因素J.水土保持研究,2021,28(1):159-163,170.17 张正勇,刘琳,徐丽萍.冰川分布格局对地理因子响应机制J.生态环境学报,2018,27(2):290-296.18 叶金印,黄勇,张春莉,等.近 50 年淮河流域气候变化时空特征分析J.生态环境学报,2016,25(01):84-91.编辑:张 曦(上接第 68 页)OWL 混合式存储模式与 Oracle Spatial 对象-关系数据库有机结合起来,利用 Oracle Spatial 技术将城市道理交通地理本体数据和空间实体对象进行了一体化存储、组织管理,为 GIS 不同分类领域的知识无歧义共享共建提供了新的思路。参考文献:1 曹闻.时空数据模型及其应用研究D.郑州:信息工程大学,2011.2 陈新保.基于对象-事件-过程的时空数据模型及其应用J.地理与地理信息科学,2013,29(3):10-15.3 夏慧琼.基于地理事件的时空数据模型及其在土地利用中的应用J.测绘科学,2011,36(4):124-127.4 李景文.基于过程的面向对象时空数据模型数据组织方法J.测绘科学学报,2013,38(5):100-102.5邓志鸿.Ontology 研究综述J.北京大学学报,2002,38(5):731-737.6 Gruber T R.A translation approach to portable ontologies specification J.Knowledge,Acquisition 1993,5(2):199-210.7 黄茂军,杜清运,吴运超,等.地理本体及其应用初探J.地理与地理信息科学,2004,20(4):1-5.8 龚资.基于 OWL 描述的本体推理研究D.长春:吉林大学,2007.9 常万军.OWL 本体存储技术研究J.计算机工程与应用,2011,32(8):2 893-2 895.10 李宏伟.基于 Ontology 的地理信息服务研究D.郑州:信息工程大学,2009.11 周扬.基于关系数据库的本体映射方法研究D.长春:吉林大学,2006.编辑:张 曦27 测绘与空间地理信息 2023 年